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Methodenartikel

Hyperpolarisierte 129Xe LungenMRT und Spektroskopie bei mechanisch beatmeten Mäusen

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DOI:

10.3791/66924

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11. Oktober 2024

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1Center for Pulmonary Imaging Research, Division of Pulmonary Medicine, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, University of Cincinnati, 3Imaging Research Center, Department of Radiology, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 4Analytical Technology Group, Aurorium, 5Division of Pulmonary, Critical Care, and Sleep Medicine, Department of Internal Medicine, University of Kansas Medical Center, 6Department of Bioengineering, University of Kansas, 7Hoglund Biomedical Imaging Center, University of Kansas Medical Center, 8Department of Pediatrics, University of Cincinnati, 9Division of Pulmonary Medicine, Cincinnati Children's Hospital Medical Center

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Die hyperpolarisierte Xenon-MRT kann die regionale Lungenmikrostruktur (Luftraumdimensionen) und die Physiologie (Beatmung und Gasaustausch) in der translationalen Forschung und klinischen Versorgung quantifizieren. Obwohl es eine Herausforderung darstellt, kann es in präklinischen Studien vergleichbare pulmonale Erkenntnisse liefern. Dieses Protokoll beschreibt die Infrastruktur und die Verfahren, die für die Durchführung einer routinemäßigen Xenon-Lungen-MRT bei Mäusen erforderlich sind.

Zusammenfassung

Hyperpolarisiertes (HP) Xenon-129 (129Xe) ist ein inhalatives Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie (MRT) mit einzigartigen spektralen und physikalischen Eigenschaften, das zur Quantifizierung der Lungenphysiologie genutzt werden kann, einschließlich Beatmung, eingeschränkter Diffusion (Alveolen-Luftraum-Größe) und Gasaustausch. Beim Menschen wurde es zur Beurteilung der Schwere und des Fortschreitens der Erkrankung bei einer Vielzahl von Lungenerkrankungen eingesetzt und ist in den Vereinigten Staaten und im Vereinigten Königreich für den klinischen Einsatz zugelassen. Über die klinische Anwendung hinaus ist die Fähigkeit der 129Xe-MRT, die pulmonale Pathophysiologie nichtinvasiv zu beurteilen und ortsaufgelöste Informationen zu liefern, für die präklinische Forschung wertvoll. Unter den Tiermodellen sind Mäuse aufgrund der Zugänglichkeit von gentechnisch veränderten Krankheitsmodellen am weitesten verbreitet. Hier ist die 129Xe-MRT vielversprechend als minimalinvasive, strahlenfreie und empfindliche Technik zur longitudinalen Überwachung des Fortschreitens der Lungenerkrankung und des Therapieansprechens (z. B. in der Wirkstoffforschung). Diese Technik kann auf präklinische Anwendungen ausgeweitet werden, indem ein MRT-getriggertes Freiatemgerät oder ein mechanisches Beatmungsgerät zur Gasabgabe eingesetzt wird. Hier beschreiben wir die Schritte und stellen Checklisten zur Verfügung, um eine robuste Datenerfassung und -analyse zu gewährleisten, einschließlich der Erstellung eines thermisch polarisierten Xenon-Gasphantoms für die Qualitätskontrolle, der Optimierung der Polarisation, des Umgangs mit Tieren (Sedierung, Intubation, Beatmung und Versorgung von Mäusen) und Protokolle für Beatmung, eingeschränkte Diffusion und Gasaustauschdaten. Während die präklinische 129Xe-MRT in verschiedenen Tiermodellen (z. B. Ratten, Schweinen, Schafen) angewendet werden kann, konzentriert sich dieses Protokoll auf Mäuse aufgrund der Herausforderungen, die ihre kleine Anatomie mit sich bringt, die durch ihre Erschwinglichkeit und die Verfügbarkeit vieler Krankheitsmodelle ausgeglichen werden.

Einleitung

Während Lungenerkrankungen nach wie vor die Hauptursachen für weltweite Morbidität und Mortalitätsind 1, haben sich die Ergebnisse für Patienten in den letzten zehn Jahren dramatisch verbessert. Diese Verbesserungen sind zum Teil auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens priorisieren klinische Phase-III-Studien nun Veränderungen der Lungenfunktion als Endpunkte und nicht mehr die Mortalität, was die Arzneimittelstudien beschleunigt 2,3,4,5. Zweitens haben Fortschritte bei verbesserten Tiermodellen Einblicke in Krankheitsmechanismen geliefert und die Therapieentwicklung unterstützt 6,7. Mausmodelle werden oft für die translationale Forschung bevorzugt, da sie physiologische Parallelen zum Menschen, Erschwinglichkeit und eine schnelle Krankheitsentwicklung bieten. Die Gentechnik hat das Spektrum und die Qualität der verfügbaren Modelle erweitert: Die International Mouse Strain Resource umfasst heute über 32.000 Mausstämme8, verglichen mit nur 4.218 Rattenstämmen (Rat Genome Database9). Diese Modelle haben neue Wege für die Untersuchung mechanistischer Treiber und Therapieansprechen für eine Reihe von Lungenerkrankungen eröffnet, darunter chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD)10, Mukoviszidose (CF)11, Lungenfibrose12,13, pulmonale Hypertonie14,15 und Asthma16.

Leider ist die Lungenforschung an Mäusen durch die verfügbaren Techniken zur Quantifizierung der Krankheitslast begrenzt. Studien stützen sich häufig auf terminale Verfahren, die 1) Informationen über die gesamte Lunge (biochemische Assays) oder lokalisierte Informationen (Histologie) liefern und 2) Querschnittsdesigns und große Stichprobengrößen erfordern. Damit erfassen sie weder räumliche noch zeitliche Krankheitsdynamiken. Im Gegensatz dazu kann die nicht-invasive, dreidimensionale Bildgebung die Struktur, die molekularen Prozesse und die Funktion in der Lunge im Zeitverlauf beurteilen.

Die Lungenstruktur (z. B. Anomalien der Atemwege und interstitielle Fibrose) kann mit Ultrakurz-Echozeit-MRT (UTE) und Mikrocomputertomographie (μCT) mit hoher Auflösung sichtbar gemacht werden. Funktionelle und mechanistische Informationen (z. B. Beatmung, Perfusion, Tumorstoffwechsel und Entzündungsprozesse) können mit exogenen Kontrastmitteln (z. B. Xenon-verstärkte CT und sauerstoffverstärkte UTE) und ionisierenden nuklearmedizinischen Ansätzen (d. h. Positronen-Emissions-Tomographie [PET] und Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie [SPECT]) gewonnen werden. Die funktionelle Bildgebung ist jedoch aufgrund des geringen Kontrast-Rausch-Verhältnisses (insbesondere für sauerstoffverstärkte UTE bei den hohen Magnetfeldstärken, die für die präklinische MRT verwendet werden, bei denen T1 verlängert wird) ohne den Einsatz ionisierender Modalitäten mit höheren als normalen Strahlungswerten eine Herausforderung. Während die Bildgebung mit diesen Modalitäten in Tiermodellen mit herkömmlichen Dosen gut vertragen wird, kann die kumulative Bestrahlung die Ergebnisse in Studien zu Immunologie, Entzündungen und Lungenkrebs verfälschen17. Die hyperpolarisierte (HP) Xenon-129 (129Xe) Magnetresonanztomographie (MRT) liefert jedoch minimalinvasive, nicht strahlende und hochempfindliche strukturelle und funktionelle Informationen. Obwohl diese Technik in der präklinischen Forschung zur Charakterisierung von Erkrankungen wie Emphysem18,19, Fibrose20, Lungenkrebs21, COPD22 und strahleninduzierter Lungenschädigung23 zu einem oder mehreren Zeitpunkten eingesetzt wurde, wird sie im präklinischen Umfeld nach wie vor zu wenig genutzt.

Um eine routinemäßige, präklinische 129Xe-MRT zu ermöglichen, sind mehrere Voraussetzungen erforderlich, darunter institutionelle regulatorische Unterstützung, ein Hyperpolarisationsgerät, eine 129Xe-abgestimmte Radiofrequenzspule (RF) und ein multinuklearfähiger Scanner. Obwohl fortgeschrittene Anwendungen 24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 eine herstellerspezifische Impulsprogrammierung erfordern, die außerhalb des Geltungsbereichs dieses Protokolls liegt, können grundlegende Anwendungen mit bescheidenen Softwaremodifikationen erreicht werden. Daher konzentrieren wir uns auf die Qualitätskontrolle, die Handhabung von Magnetisierungen, die Datenerfassung und den Umgang mit Tieren – einschließlich der mechanischen Beatmung –, die für die präklinische 129Xe-MRT einzigartig sind (Abbildung 1).

Bisher wurden bei der Bildgebung von Kleintieren 129Xe drei MR-sichere Gaszufuhransätze eingesetzt, die jeweils Vor- und Nachteile haben: frei atmend, kolbengetrieben und Druckabfall. Die freie Atmung ermöglicht eine spontane Inhalation ohne Verletzungsgefahr durch Intubation oder Tracheotomie, verbraucht jedoch deutlich mehr HP-Gas und kann Bewegungsartefakte einführen34,35. Kommerzielle kolbengetriebene Geräte sind selbstkalibrierend und sofort einsatzbereit, können aber unerschwinglich teuer sein36. Der hier verwendete Druckabfall-basierte Ansatz ist in der Literatur gut beschrieben, modular, anpassbar und wird mit Open-Source-Code 37,38,39,40 ausgeführt. Darüber hinaus ist es kostengünstig und kostet in der Regel weniger als 10.000 US-Dollar und einige Wochen dedizierte Entwicklungszeit. Das Druckabfallbeatmungsgerät liefert 129Xe aus einem Dosisbeutel in einem unter Druck stehenden Kanister, während es den Atemwegsdruck einer intubierten Maus überwacht.

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Abbildung 1: Überblick über das Protokoll zur routinemäßigen Erfassung von Xenon-129 (129Xe) Magnetresonanztomographie (MRT) bei Mäusen. (A) Schritte zur Ersteinrichtung. (Hinweis: Die Scannerprogrammierung ist für jeden Anbieter einzigartig und wird in diesem Protokoll nicht beschrieben.) (B) Schritte zur täglichen Qualitätssicherung (QS) und Tierdaten. (C) Schritte für einen erfolgreichen Abschluss des Experiments und die Datenanalyse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Hier sammeln und analysieren wir die drei gängigen Klassen von 129Xe-MRT-Daten: Beatmung, diffusionsgewichtete Bildgebung (Alveolen-Luftraum-Größe) und Gasaustausch. Beatmungsbilder zeigen die Verteilung des eingeatmeten 129Xe-Gases. Regionen der Lunge mit reduziertem Luftstrom erscheinen in HP-Gasbildern dunkel, und die Pathologie wird durch das Volumen der fehlerhaften Beatmung quantifiziert. Beim Menschen hat der Prozentsatz der Beatmungsdefekte (VDP) eine starke Wiederholbarkeit41,42 und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Lungenobstruktion bei Krankheiten wie COPD 43,44,45 und Asthma46,47 gezeigt.

Die eingeschränkte Diffusion der 129Xe-Atome im Luftraum kann über den scheinbaren Diffusionskoeffizienten (ADC) gemessen werden und dient als Surrogat für die Luftraumgröße. Der ADC wird berechnet, indem ein Basisbild (b0) ohne Diffusionsgewichtung und ein oder mehrere Bilder aufgenommen werden, die in Gegenwart einer bipolaren gradienteninduzierten Diffusionsgewichtung (bN) aufgenommen wurden. Ein erhöhter ADC spiegelt eine Vergrößerung des Luftraums aufgrund von Alterung oder emphysematösem Umbau wider18,48. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung mehrerer b-Wert-Bilder (≥4) die Berechnung detaillierterer morphometrischer Informationen (z. B. mittlerer linearer Schnittpunkt)49,50.

Der Gasaustausch kann charakterisiert werden aufgrund von 1) der Löslichkeit von 129Xe im Kapillarmembrangewebe, im Plasma und in den Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und 2) durch die chemische Verschiebung von 129Xe um >200 ppm im Downfield, wenn es in diesen Kompartimenten gelöst wird. Sowohl spektroskopische als auch bildgebende Daten geben Aufschluss über kardiopulmonale Erkrankungen (z. B. pulmonale Hypertonie und Linksherzinsuffizienz 51,52,53). Während viele Spezies (Menschen, Hunde und Ratten) einzigartige spektrale Peaks aufweisen, die von jedem Kompartiment ausgehen, fehlt Mäusen aufgrund von Unterschieden in den Wechselwirkungen zwischen Hämoglobin und Xenon ein einzigartiges Erythrozytensignal. Stattdessen werden in Mäusen alle gelösten Komponenten in einem einzigen Signal zusammengefasst54. Es ist jedoch möglich, eine deutliche Erythrozytenresonanz bei transgenen Mäusen zu beobachten, die menschliches Hämoglobin exprimieren, wie sie in Modellen der Sichelzellkrankheit verwendet werden54. Insgesamt bieten die gelöste 129-Xe-Spektroskopie und -Bildgebung einzigartige Einblicke in die kardiopulmonale Pathophysiologie bei Mäusen 55,56.

Bevor Sie dieses Protokoll versuchen, ist es notwendig, Hintergrundinformationen über den MRT-Scanner, die mechanische Beatmung und die für Mausstudien erforderlichen Maushandhabungstechniken zu verstehen. Vor Beginn von Tierversuchen müssen alle Verfahren vom örtlichen Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC)57 genehmigt werden. Da das gesamte magnetische Moment, das in der Lunge der Maus zur Verfügung steht, von Natur aus gering ist (d. h. das Tidalvolumen ~250 μL), muss die Voxelgröße 1000-fach kleiner sein als beim Menschen, um eine anatomisch äquivalente Auflösung zu erreichen. Auch die Atemfrequenz der Maus ist außerordentlich schnell (>100 Atemzüge/Minute). Daher sind die für die Bildgebung beim Menschen üblichen Verfahren mit nur einem Atemanhalten nicht durchführbar. Stattdessen können nur wenige HF-Anregungen in jedem Atemzug angewendet werden, so dass 129Xe-Bilder über Dutzende bis Hunderte von Atemzügen kodiert werden müssen. Eine Impulsprogrammierung kann erforderlich sein, um ein externes Triggern von Aufnahmen zu ermöglichen und Slices, Phasencodierungen und/oder diffusionsgewichtete Bilder ordnungsgemäß zu schleifen, während das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), die Auflösung und die Scandauer ausgeglichen werden. Hier gibt das Beatmungsgerät einmal pro Atemzug einen TTL-Impuls (Transistor-Transistor-Logik) aus, um die Datenerfassung auszulösen (Abbildung 2).

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Abbildung 2: Repräsentativer Zeitpunkt für die maschinelle Beatmung und Datenerfassung. (A) Die benutzergesteuerte Beatmung kann die Datenerfassung am Ende der Inspiration, während des Atemanhaltens oder am Ende des Ausatmens auslösen. (B) Für diese radiale 3D-Beatmungssequenz definiert der Benutzer die Gesamtzahl der erfassten Projektionen und die Anzahl der Projektionen pro Atemzug. (C) Für ein schichtselektives, diffusionsgewichtetes 2D-Bild definiert der Benutzer die Reihenfolge der Schichten, b-Wert-Bilder und Phasenkodierungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Um eine zuverlässige Beatmung und 129Xe-Verabreichung zu ermöglichen, sind robuste Sedierungs- und Intubationsverfahren erforderlich. Für jede Studie müssen die nachgelagerten Wirkungen jedes Anästhetikums berücksichtigt werden - einschließlich Änderungen der Minutenbeatmung, der Herzfrequenz (HF) und des Blutdrucks 58,59,60,61,62,63,64,65,66. Während eine Vielzahl von Beruhigungsmitteln für die präklinische HP-Gas-MRT verwendet wurde, verwenden wir aufgrund seiner Verfügbarkeit, Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit und Dauer eine Mischung aus Ketamin, Xylazin und Acepromazin67,68. Nach der Sedierung müssen die Tiere intubiert werden, um eine effektive mechanische Beatmung zu gewährleisten. Die Intubation von Mäusen ist aufgrund der geringen Größe ihrer Anatomie schwierig, daher ist es wichtig, diese Technik gründlich zu trainieren. Wir ermutigen die Prüfärzte, die veröffentlichten Videoprotokollezu überprüfen 69,70. Da die meisten kommerziellen Intubationskanülen Edelstahl enthalten, führen wir eine Technik zur Herstellung metallfreier (d. h. MRT- und HP-Gas-kompatibler), keilförmiger Kanülen ein, die an den Durchmesser der Atemwege angepasst werden können, um eine luftdichte Abdichtung mit der Trachealwand der Maus zu schaffen.

Da 129Xe-Bilder über viele Atemzüge hinweg gesammelt werden, sind die Einstellungen des Beatmungsgeräts von entscheidender Bedeutung. Schützende Beatmungsstrategien müssen sorgfältig abgewogen werden, um Lungenschäden zu verhindern 71,72,73,74. Insbesondere die Verwendung eines niedrigen Tidalvolumens (TV), eines moderaten positiven endexspiratorischen Drucks (PEEP) und alveolärer Rekrutierungsmanöver (RMs) verringert das Risiko einer beatmungsinduzierten Lungenverletzung bei menschlichen Patienten und Tiermodellen 75,76,77,78,79,80,81. Hier empfehlen wir eine einfache Technik, die mit einer mechanischen 129Xe-Beatmung mit Druckabfall kompatibel ist, die schützend ist und ein ausreichendes 129Xe-Bild-SNR bietet. Konkret wenden wir PEEP an, indem wir ein handelsübliches PEEP-Ventil an die Ausatemleitung des Beatmungsgeräts anschließen. Um RMs durchzuführen, muss die Ausatemleitung geschlossen werden, so dass das Tier mehrere Einatmungen ohne Ausatmung erhält, bis ein Zieldruck und eine Zieldauer erreicht sind.

Durchgehend stellen wir allgemeine Beatmungseinstellungen zur Verfügung, aber es wird empfohlen, die Literatur zu überprüfen, um spezifische Studienziele zu erreichen82,83. Neben der Überwachung des inspiratorischen Spitzendrucks während der mechanischen Beatmung ist es wichtig, die Temperatur des Tieres zu überwachen, was mit Standardmethoden zur Überwachung der Maustemperatur erfolgen kann. Die Überwachung der Herzfrequenz über ein Elektrokardiogramm (EKG) ist zwar nicht erforderlich, kann aber von Vorteil sein. Das EKG kann anzeigen, ob ein Tier aus der Sedierung, einer Überdosierung oder einer Belastung erwacht, so dass der Forscher eingreifen kann.

Das von uns beschriebene Protokoll ist darauf ausgelegt, 129Xe-3D-radiale Beatmungsdaten61, diffusionsgewichtete 2D-GRE-Daten76 und dynamische Impulserfassungsspektroskopie-Gasaustauschdaten zu erfassen. Dieses Protokoll zielt darauf ab, die Lücke zwischen der präklinischen Forschung in Kleintiermodellen und dem Potenzial der 129Xe-MRT zu schließen, um unser Verständnis von Lungenerkrankungen zu verbessern.

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Protokoll

Alle hier beschriebenen Methoden wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) des Cincinnati Children's Hospital Medical Center genehmigt.

1. Erstvorbereitung des Standorts

  1. Erstellen und testen Sie ein thermisch polarisiertes 129Xe-Gasphantom (Abbildung 3).
    1. Besorgen Sie sich ein Gefäß aus Borosilikatglas (~60 ml), ein Kolbenventil mit einem O-Ring mit Frontdichtung und einen geschliffenen Schaft aus Borosilikatglas, alle mit einer Nennleistung von bis zu 150 psig. Stellen Sie sicher, dass keine magnetischen Teile vorhanden sind. Befestigen Sie eine Klemmverschraubung am Glasstiel. Festziehen, um eine gasdichte Abdichtung herzustellen.
    2. Schließen Sie das Gefäß an eine Vakuumpumpe und einen Sauerstoffbehälter an, wie in Abbildung 3A beschrieben. Vakuumbehälter bis weniger als 100 mTorr Absolutdruck.
    3. Füllen Sie das Gefäß mit Sauerstoff bis zu einem Druck von 1,5 atm, um den 129Xe T1 von > 30 min auf ~2 s zu reduzieren (bei 7 T Magnetfeldstärke; Verwenden Sie für einen 9,4-T-Scanner 1,6 atm Sauerstoff). Gefäß versiegeln.
      ANMERKUNG: Bei höheren Feldstärken ist ein etwas höherer Sauerstoffpartialdruck erforderlich, um T1≤ 2 s84 zu erreichen.
    4. Füllen Sie ein gasundurchlässiges Reservoir mit 400 mL isotopenangereichertem Xenon (85% 129Xe).
      HINWEIS: Die natürliche Häufigkeit von Xenon (26% 129Xe) kann ebenfalls verwendet werden, aber die Signalmittelung muss erhöht werden, um die ~3-fache Verringerung des SNR abzuschwächen.
    5. Verbinden Sie das Gefäß mit dem Reservoir von 129Xe. Vakuumschlauch bis zu einem Absolutdruck von weniger als 100 mTorr.
    6. Füllen Sie eine Tischflüssigkeit N2 Dewar mit offenem Mund auf ~90%. Tauchen Sie den Boden des Behälters (~5 cm) in flüssigen Stickstoff, um O2 zu kondensieren und ein Vakuum zu erzeugen (Abbildung 3B). Öffnen Sie im eingetauchten Zustand das Ventil, damit 129Xe aus dem Behälter in den Behälter fließen kann (Abbildung 3C).
    7. Verschließen Sie das Kolbenventil, indem Sie langsam an der Spindel ziehen, bis das Zuflussloch im Kolben am O-Ring vorbei gezogen wird. Unmittelbar nachdem das Loch den O-Ring passiert hat, ziehen Sie es von Hand fest, um das Gefäß abzudichten. Nehmen Sie das Gefäß von flüssigem Stickstoff und lassen Sie es auftauen.
      HINWEIS: Nach dem Auftauen wird das Gefäß auf ~4,5 atm (2 atm O2 + 2,5 atm 129Xe) unter Druck gesetzt.
    8. Schützen Sie die Glaswaren (z. B. Behälter in einen gepolsterten Rohrbehälter aus Polyvinylchlorid (PVC) einsetzen, Abbildung 3D).
      HINWEIS: Bei ordnungsgemäßer Wartung kann das Phantom den Druck für ein Jahrzehnt oder länger aufrechterhalten.
    9. Messen Sie den T1 des Phantoms (z. B. mit einer spektroskopischen Inversionswiederherstellungssequenz). Bestätigen Sie T1 < 2 s für 7 T Scanner. Gleissignal und T1 im Zeitverlauf für die Qualitätssicherung (QA).

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Abbildung 3: Erstellung eines thermisch polarisierten 129Xe-Gasphantoms, das von dem in Schritt 1.1 beschriebenen Protokoll geleitet wird. Die Partialdrücke O2 und 129Xe können verändert werden, um den T1 so anzupassen, dass er das entsprechende 129Xe T1-fache und die Signalstärke bei einer gegebenen Feldstärke84 ergibt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Führen Sie die Qualitätssicherung mit dem thermisch polarisierten Gasphantom durch (Tabelle 1 und Abbildung 4).
    1. Platzieren Sie die 129Xe-Spule im Isozentrum des Magneten und zentrieren Sie das 129Xe-Gasphantom in der Spule. Stellen Sie in einer einzelnen Impuls-und-Erfassungssequenz ("Einzelimpuls") die Arbeitsfrequenz so ein, dass sie der ungefähren Gasfrequenz von 129Xe im Phantom entspricht (~83,07 MHz bei 7T).
    2. Zentrieren Sie die Erfassungs- und Anregungsfrequenzen auf die 129Xe Larmor-Frequenz und verwenden Sie diese Frequenz für alle 129Xe-Scans zur Phantomkalibrierung und Qualitätskontrolle. In Tabelle 1 finden Sie experimentelle Parameter für alle QA-Scans. Vergewissern Sie sich, dass das Phantom mit einem Phantomlokalisierer zentriert ist (Abbildung 4A).
    3. Führen Sie ein Nutationsexperiment durch, um den Flip-Winkel zu kalibrieren: Unter der Annahme, dass das SNR ausreichend ist, verwenden Sie einzelne HF-Impulse mit einem Wiederholungszeitabstand (TR) > 5 x T1. Erhöhen Sie bei jeder Erfassung schrittweise die HF-Leistung, bis das Signal null wird und zu invertieren beginnt. Der hier verwendete Standard lautet: Anzahl der Impulse = 65; TR = 10 s; Impulsdauer = 125 μs; HF-Leistung = 1-13,8 W, in Schritten von 0,2 W
    4. Fourier-Transformation und Phase des ersten Spektrums (d. h. des Spektrums mit der geringsten HF-Leistung). Wenden Sie für alle Spektren die gleiche Phasenlage an. Plotten Sie die realen Spektren als Funktion der HF-Impulsleistung (Abbildung 4B).
    5. Die Leistung, die einen Null-Peak (d. h. eine minimale Peakhöhe) erzeugt, entspricht dem 180°-Flip-Winkel. Erreichen Sie einen Schwenkwinkel von 90°, indem Sie die gleiche Leistung bei halber Pulslänge verwenden, die zum Erzeugen des Schwenkwinkels von 180° erforderlich ist. Vorausgesetzt, die Scannersoftware lässt dies zu, stellen Sie diese 90°-Referenzleistung und Impulslänge für die anschließende Flip-Winkel-Skalierung ein.
    6. Verwenden Sie einen einzelnen Impuls zum Shiming, indem Sie die volle Breite bei halbem Maximum des 129Xe-Spektrums (TR ~ 1 s) minimieren. Zentrieren Sie die Frequenz nach dem Shimming ggf. neu. Zeichnen Sie die Hälfte maximal in voller Breite auf.
    7. Führen Sie den QA-Scan des 129Xe durch (Tabelle 1 und Abbildung 4C). Zeichnen Sie QA-Daten auf: SNR, mittleres Phantomsignal und Standardabweichung des Rauschens.

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Abbildung 4: Qualitätssicherung vor dem Scan. (A) Ein niedrig aufgelöster 2D-GRE-Koronaphantom-Lokalisierer stellt sicher, dass das Phantom im Magneten zentriert ist. (B) Ein Nutationsexperiment zum Einstellen eines 90°-Pulses zeigt einen Null-Peak beim 180°-Puls. (C) Nach der Lokalisierung und Kalibrierung des Flip-Winkels wird ein 2D-GRE-QA-Bild mit höherer Auflösung aufgenommen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protokoll-KurzbezeichnungBeschreibung der SequenzTR (ms)TE (ms)Durchschnitte / WiederholungenFlip-Winkel (°)Matrixgröße oder NPunkteSichtfeld (mm2)HF BW (kHz)Dicke der Scheibe / Platte (mm)Dauer des Scans
Einzelner ImpulsImpuls erfassen10001 / 1602048101 Sek.
Phantom-Lokalisierer2D GRE2003.720 / 14860 × 32120 × 483602 Minuten
Flip-Winkel-KalibrierungImpuls erfassen70001 / 652020485.127,5 Minuten
129Xe QA2D GRE50003.38 / 19032232234021 Minuten

Tabelle 1: Sequenzparameter für die Qualitätssicherung der Phantomkalibrierung. TR = Wiederholzeit, TE = Echozeit, Npts = Anzahl der Punkte, FOV = Sichtfeld, BW = Bandbreite. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

  1. Polarisation planen (Abbildung 5A, B).
    1. Wählen Sie das polarisierte 129Xe-Volumen und die Akkumulationszeit: 400 ml in 15 Minuten sind optimal für dieses Protokoll (Abbildung 5), können aber leicht für andere Anwendungen und Geräte angepasst werden.
    2. Unter der Annahme eines bekannten Totvolumens innerhalb des Hyperpolarisators (z. B. VTotvolumen = 80 mL) berechnen Sie die Durchflussrate (FXe in SLM) für ein gewünschtes Dosiervolumen V, 129Xe Gasfraktion f und die Akkumulationszeit tacc:
      figure-protocol-3(1)
      HINWEIS: Längere Produktionszeiten führen in der Regel zu einer höheren Polarisation, sind jedoch für die In-vivo-Bildgebung möglicherweise nicht praktikabel. Verwenden Sie ein geeignetes Modell für den Hyperpolarisator 85,86,87,88, um eine Durchflussrate zu bestimmen, die Produktionszeit und Polarisation ausgleicht. Hier wurde das Modell von J. W. Plummer et al.89 (Abbildung 5A) verwendet. Dies gilt für Polarisatoren mit kontinuierlicher Strömung und ist nicht anwendbar für Hyperpolarisatoren mit gestoppter Strömung90.
    3. Polarisieren Sie das Gas nach diesen Parametern, messen Sie die Polarisation mit einem kommerziellen oder selbstgebauten Gerät und vergleichen Sie sie mit der vorhergesagten Polarisation für die Qualitätssicherung.
    4. Messen Sie den Polarisationsverlust während des Transports. Wenn die Polarisation um einen ausreichend großen Betrag abnimmt (z. B. >10 %), bauen Sie eine magnetische Tragetasche, um die Polarisation während des Transports zu schützen. Siehe Ergänzende Datei 1: Umgang mit Polarisation während des Transports und Ergänzende Abbildung 1.

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Abbildung 5: Polarisationsmanagement. (A) Polarisation und produziertes Volumen sind eine Funktion der Akkumulationszeit und der Durchflussrate. Ein 400-ml-Beutel mit Gas sorgt für eine hohe anfängliche Polarisation (~35%) über 20 Minuten. Die Verwendung von 1 l Gas mag zwar attraktiv erscheinen, hat aber eine geringere anfängliche Polarisation (~20%). (B) Nach ~15 Minuten Belüftung würde eine 1-Liter-Charge HP 129Xe auf <10 % Polarisation erschöpft sein, während 600 ml Gas116 % übrig blieben. Die Verwendung mehrerer 400-ml-Beutel mit 129Xe sorgt somit für eine höhere durchschnittlich abgegebene Polarisation. C) Stellen, an denen sich das Primärfeld und das aktive Abschirmfeld kreuzen (roter Kasten an Position (N,N,N)), können zu einer schnellen Entspannung des HP 129Xe führen. Die Charakterisierung des Streifenfeldes des Magneten hilft bei der Identifizierung sicherer Zonen, in denen Reservoirs von HP 129Xe ohne schnelle Entspannung platziert werden können (grüner Kasten an Position (0,0,n)). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Datei 1: Umgang mit Polarisation während des Transports. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

  1. Messen Sie den positionsabhängigen T1 von HP 129Xe innerhalb des Streifenfeldes (Abbildung 5C).
    1. Erstellen Sie Referenzpunkte mit bekannten Abständen und Positionen relativ zum Magnet-Isozentrum entlang der X-, Y- und Z-Dimensionen. Markieren Sie das Isozentrum und beschriften Sie die anderen Positionen n bis N. Die Anzahl der zu untersuchenden Positionen hängt vom verfügbaren Platz ab.
    2. Hyperpolarisieren Sie ein kleines Volumen von 129Xe (~250 mL) und transportieren Sie es in den MRT-Kontrollraum. Füllen Sie eine große Spritze (50-100 mL) mit 129Xe und platzieren Sie sie am Isozentrum innerhalb des Magneten (Position 1 in Abbildung 5C). Spielen Sie einen ~1° Flip-Winkel-Impuls ab, um das Signal zu messen.
    3. Lassen Sie die Spritze ~10 Minuten lang in Position und nehmen Sie dann ein weiteres Spektrum auf. Messen Sie das Signal alle 10 Minuten neu, bis das Signal um mindestens 1 T1 abgefallen ist (d. h. das Signal ist auf ~1/3 seines Anfangswerts abgeklungen).
    4. Starten Sie ein neues T1-Experiment mit einer neuen Spritze 129Xe, indem Sie Schritt 1.4.2 wiederholen.
    5. Bringen Sie die Spritze in eine neue Position (z. B. Position n in Abbildung 5C) und lassen Sie sie dort 10 Minuten lang. Bringen Sie die Spritze wieder in das Isozentrum zurück, um ein zusätzliches Schwenkwinkelspektrum von ~1° zu erfassen.
    6. Wiederholen Sie diesen Vorgang: Bewegen Sie die Spritze in Position n, warten Sie 10 Minuten, setzen Sie sie wieder auf das Isozentrum und messen Sie das Signal erneut, bis es mindestens 1 T1 abgeklungen ist.
    7. Wiederholen Sie die Schritte 1.4.4 - 1.4.6 für die verbleibenden Referenzpositionen, die die X-, Y- und Z-Richtungen abdecken.
    8. Das Anfangssignal (S0) zerfällt monoexponentiell über n HF-Pulse mit einem θ-Flip-Winkel. Passen Sie das Signal (S) als Funktion der Zeit (t) in das Streifenfeld ein, um T1 in jeder Position zu berechnen:
      figure-protocol-5(2)
    9. Identifizieren Sie eine Position mit ausreichendem T1 (>20 min) für die Platzierung des 129Xe-Reservoirs.
  2. Erstellen Sie metallfreie Intubationskanülen (Abbildung 6).
    1. Besorgen Sie sich zwei venöse Verweilkatheter aus Polytetrafluorethylen (PTFE) mit Luer-Konnektoren. Entsorgen Sie die Nadeln in einem Behälter zur Entsorgung scharfer Gegenstände.
      HINWEIS: Verwenden Sie für Mäuse >25 g Katheter mit 18 g und 20 g. Verwenden Sie bei kleineren Tieren 20 g und 22 g Katheter.
    2. Schneiden Sie den Luer-Konnektor von den Kathetern ab. Führen Sie den kleineren Katheter in das obere Ende des größeren Katheters ein, um eine sich stärker verjüngende und längere Kanüle zu erhalten. Schneiden Sie die Kompositkanüle auf ~4,6 cm mit abgeschrägtem Ende, ohne die Luer-Basis (Abbildung 6A, B).
    3. Schneiden Sie das breitere Ende einer 200-μl-Pipettenspitze auf eine Länge von ~2,6 cm ab (Abbildung 6C).
    4. Beschichten Sie die Innenseite der Pipettenspitze mit allgemeinem Trennschmiermittel. Verwenden Sie eine weitere Pipettenspitze, die in das Gleitmittel eingeführt wird, um es dünn zu verteilen. Füllen Sie die Pipettenspitze mit Acetoxysilikon-Vulkanisationspaste Epoxidharz (Abbildung 6D, E).
    5. Stecken Sie die Kanüle mit einem 22-G-Draht ein, der aus beiden Enden herausragt. Führen Sie den Kanülenschlauch durch das Silikon in der Pipettenspitze. Verlängern Sie das Röhrchen ~7 mm über das Ende der Pipettenspitze hinaus (Abbildung 6F, G).
    6. Schieben Sie das Kanülenröhrchen an der breiteren Seite der Pipettenspitze durch einen Luer-Stecker aus Kunststoff und kleben Sie die Teile mit dem Epoxidharz zusammen. Schneiden Sie den Schlauch ab, der über den Luer-Anschluss hinausragt (Abbildung 6H).
    7. Warten Sie, bis das Epoxidharz getrocknet ist (>24 h), und entfernen Sie dann vorsichtig die Silikon-Intubationskanüle aus der Pipettenspitzenform. Entfernen Sie den Draht von der Kanüle und stellen Sie sicher, dass der Schlauch nicht verschlossen wurde (Abbildung 6I).
    8. Um einen Griff für eine einfache Intubation herzustellen, verbinden Sie den Schlauch (1/16" oder 1/8") mit einer Luer-Buchse. Wenn Sie für die Intubation bereit sind, verbinden Sie diese weibliche Luer-Konnektorin mit der männlichen Luer-Intubationskanüle. Dieses Stück kann nach der Intubation leicht abgelöst werden (Abbildung 6J).
    9. Desinfizieren Sie vor jeder Anwendung bei Tieren: Wischen Sie die Außenseite der Kanüle mit 70% Alkohol ab. Wischen Sie den 20-G-Draht mit einem Desinfektionsmittel ab und führen Sie den Draht durch die Kanüle, um das Innere zu desinfizieren und sicherzustellen, dass keine Verstopfungen entstehen.

figure-protocol-6
Abbildung 6: Herstellung von MRT- und HP 129Xe-kompatiblen Maus-Intubationskanülen. Diese Kanülen bestehen aus Venenkathetern, Pipettenspitzen und Silikondichtmittel, wie in Schritt 1.5 beschrieben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Tägliche Datenerfassung

HINWEIS: Siehe Ergänzende Datei 2: QS-Checkliste für präklinische Scans.

Ergänzende Datei 2: QS-Checkliste für präklinische Scans. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

  1. Führen Sie die tägliche Qualitätskontrolle des Scanners durch und richten Sie das Beatmungsgerät ein (Abbildung 4).
    1. Führen Sie bei Phantomen QA-Protokolle auf dem Scanner aus (siehe Tabelle 1 für QA-Scan-Parameter und Schritt 1.2 für tägliche Qualitätskontrollschritte).
    2. Kalibrieren Sie das Beatmungsgerät nach der Methode von J. Nouls et al.38. Siehe Ergänzende Datei 3: Kalibrierung von Beatmungsgeräten, Ergänzende Abbildung 2 und Ergänzende Abbildung 3.
    3. Legen Sie die Beatmungsgeräteeinstellungen für die Bildgebung am Ende der Inspiration fest (Tabelle 2). Stellen Sie das Tierbett auf das Scannergestell und das Lebenserhaltungsmodul (d. h. mechanische Beatmungsgeräteteile) auf den Tisch neben dem Scanner.
    4. Aktivieren Sie die standortspezifische Tierheizung. Stellen Sie eine Heizung auf 35,5 - 40 °C ein, schalten Sie die Umluft ein und platzieren Sie den Luftschlauch in einem Abstand von ~5" von der Stelle, an der der Kopf des Tieres aufliegt, um die Bohrung des Scanners vorzuwärmen.
Einstellung der BelüftungEmpfehlung für HP 129Xe MRTNotizen
Tidalvolumen (TV)8–10 ml/kg ideales KörpergewichtMäßiges Fernsehen; Niedriger Fernseher erfordert einen höheren BR, was zu Bewegungsartefakten in Bildern führen kann
Positiver endexspiratorischer Druck (PEEP)2–6 cmH2Ω
Atemfrequenz (BR)80–120 Br/min
Rekrutierungsmanöver (RMs)~35 cmH2O für 6 s alle 5 min
Dauer der Beatmung; Position< 6 h; SupinumRückenlage, um die Bewegung des Brustkorbs besser sehen zu können
Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs (FIO2)0.3–0.5Verhindern Sie Hypoxie bei anästhesierten Mäusen
Inspiratorisches zu exspiratorisches Verhältnis (I:E)1:2–1:4
Inspiratorisch zur Gesamtzyklusdauer0.2–0.4
Minimale Belüftung≥0,57 mL·g-1·min-1
Unsere Ansprüche:
BR = 80 b/min, Inspirationsdauer = 200 ms, FIO2 = 0,3
Bildgebung am Ende der Inspiration: Atemanhalten = 200 ms, Triggerverzögerung = 200 ms nach Beginn der Inspiration
Bildgebung während des Atemanhaltens: Atemanhalten = 250 ms, Triggerverzögerung = 250 ms nach Beginn der Inspiration
Bildgebung am Ende der Exspiration: Atemanhalten = 200 ms, Triggerverzögerung = 650 ms nach Beginn der Inspiration

Tabelle 2: Empfohlene Beatmungsgeräteeinstellungen für die 129Xe-Bildgebung. Die Parameter können für spezifische Studienziele und experimentelle Bedingungen fein abgestimmt werden 117,118,119,120,121,122,123,124. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Ergänzende Datei 3: Kalibrierung des Beatmungsgeräts. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

  1. Betäubung und Intubation des Tieres.
    1. Schalten Sie den Inkubator auf 27,7 °C und/oder das elektrische Heizkissen auf 37,7 °C ein. Messen und notieren Sie die Körpermasse des Tieres. Berechnen Sie die Beruhigungsmitteldosierung basierend auf der Masse. In Tabelle 3 finden Sie ein typisches Dosierungsschema.
    2. Injizieren Sie das Beruhigungsmittel intraperitoneal. Notieren Sie sich den Zeitpunkt der Injektion und stellen Sie den Timer für die nächste Dosis des Beruhigungsmittels ein.
      HINWEIS: Führen Sie die verbleibenden Schritte in Abschnitt 2 (Tägliche Datenerfassung) so schnell wie möglich aus, um die Zeit unter Sedierung und das Risiko einer Überdosierung zu minimieren.
    3. Tragen Sie Augenschmiermittel auf die Augen des Tieres auf und setzen Sie das Tier in einen Käfig auf dem Heizkissen oder in einen Inkubator, um eine Unterkühlung zu vermeiden.
    4. Bestätigen Sie, dass das Tier vollständig sediert ist, indem Sie 10-15 Minuten nach der Beruhigungsmittelinjektion einen Zehenquetschtest durchführen68. Intubieren Sie nach den in Das et al.69 beschriebenen Verfahren.
      HINWEIS: Der Artikel von Das et al.69 wird von einer umfassenden Videodemonstration der Technik begleitet. Die Schritte sind wie folgt:
    5. Hängen Sie das Tier in Rückenlage an den Zähnen auf ein schräges Brett. Verwende einen Nagetier-Zungenspatel, um die Zunge herauszuziehen.
    6. Um sicherzustellen, dass die Stimmbänder sichtbar sind, geben Sie weißes Licht über ein Glasfaserkabel in der Intubationskanüle oder ein helles Licht, das an der Außenseite des Rachens platziert wird. Führen Sie die Kanüle weniger als 5 mm über die Stimmbänder hinaus ein.
    7. Stellen Sie sicher, dass sich die Kanüle in der Luftröhre und nicht in der Speiseröhre befindet, indem Sie sie mit einem Schlauch verbinden, in dem sich ein kleiner Wassertropfen befindet. Wenn sich der Wassertropfen im Takt mit den Atemzügen des Tieres bewegt, ist die Positionierung wahrscheinlich korrekt.

AgentDosisRouteDauerKommentare
Inhalative Wirkstoffe
IsofluranInduktion: 4 % – 5 %
Wartung: 1%–
3% oder zur Wirkung		EingeatmetWährend des kontinuierlichen Flusses• Erfordert die Verwendung eines kalibrierten Verdampfers
Injizierbare Mittel
Empfohlen: Ketamin + Xylazin + Acepromazin90 + 9 + 3 mg/kgIntraperitoneal20–60 Minuten• Schafft Anfälligkeit für Unterkühlung
• Bei wiederholter Dosierung wird empfohlen, auf eine Ketamin + Xylazin-Mischung umzusteigen, um eine Überdosierung zu vermeiden
• Verursacht Erschütterungen, wenn es nachlässt. Halten Sie sich bei der Bildgebung strikt an den Dosierungsplan
• Kann Bradykardie verursachen
Ketamin + Xylazin90 + 9 mg/kgIntraperitoneal20–40 Minuten• Siehe oben (Ketamin + Xylazin + Acepromazin)
Pentobarbital50 - 70 mg/kgIntraperitoneal20–60 Minuten• Senkt die Atemfrequenz und -bewegung
• Die Kosten können unerschwinglich sein
• Pharmazeutische Qualität ist möglicherweise nicht verfügbar
Haftungsausschluss: Dies sind allgemeine Richtlinien. Konsultieren Sie vor der Implementierung einen Tierarzt, um weitere Informationen zu erhalten.

Tabelle 3: Gängige Anästhesieformel für Mäuse. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

  1. Tiere belüften (Tabelle 2).
    1. Befestigen Sie das Tier über den Luer-Konnektor an der Intubationskanüle am Beatmungsgerät. Überwachen Sie die Zwerchfellbewegung und den maximalen Inspirationsdruck (~10-12 cm H2O für ein Atemzugvolumen von 10 ml/kg Körpergewicht). Wenn der Druck oder die Atembewegung abnormal ist, passen Sie den Halswinkel und die Tiefe der Kanüle sorgfältig nach Bedarf an.
    2. Stellen Sie sicher, dass die Intubationskanüle luftdicht ist, indem Sie ein Rekrutierungsmanöver durchführen: Verhindern Sie das Ausatmen (z. B. mit einem Finger die Ausatemöffnung blockieren), so dass das Tier mehrmals einatmet, ohne auszuatmen.
      HINWEIS: Wenn der Atemwegsdruck 35 cmH2O Spitzeninspirationsdruck über ~6 s erreicht, ist die Atemwegsdichtung ausreichend dicht. Wenn nicht, lesen Sie die Diskussion zur Problembehandlung.
    3. Lassen Sie die normale Ausatmung wieder aufnehmen. Führen Sie Rekrutierungsmanöver zwischen den Scans und alle ~5 Minuten durch, wenn Sie nicht scannen, um die Lungencompliance aufrechtzuerhalten und Atelektasen zu verhindern. Verbinden Sie das PEEP-Ventil mit der Ausatemleitung. Stellen Sie den PEEP auf 4 cmH2°C ein. Beobachten Sie, wie der inspiratorische Spitzendruck um diesen Betrag ansteigt.
    4. Planen und initialisieren Sie nach erfolgreicher Intubation die Produktion von HP 129Xe um das Beruhigungsmittel-Redosisschema herum, um zu verhindern, dass das Tier während eines Scans aufwacht. Überwachen Sie die Körpertemperatur während des gesamten Experiments.
  2. Datenerfassung: Sammeln Sie Lüftungsbilder.
    HINWEIS: Die Datenerfassungsschritte 2.4, 2.5 und 2.6 können in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden
    1. Stellen Sie das Beatmungsgerät gemäß Tabelle 2 für die Bildgebung am Ende der Inspiration ein.
    2. Laden Sie die folgenden Setup-Protokolle: Proton Animal Localizer, Einzelpuls zur Zentrierung auf die Gasfrequenz in der Lunge der Maus und 129Xe Animal Localizer. In Tabelle 4 finden Sie die Scan-Parameter.
    3. Positionieren Sie das Tier im Isozentrum und bestätigen Sie, dass sich die Brusthöhle in der Mitte des Sichtfeldes mit Protonenlokalisierung befindet. Wenn Sie Einfrequenzspulen verwenden, ersetzen Sie die Protonenspule durch eine 129Xe-abgestimmte HF-Spule.
    4. Zeichnen Sie eine Polarisation von 129Xe auf und transportieren Sie sie zum MRT-Scanner. Siehe Ergänzende Datei 4: QA-Checkliste für die Xenon-Polarisation.
    5. Legen Sie einen Beutel mit 129Xe in den Beatmungsbehälter und verschließen Sie ihn. Schließen Sie den Behälter in einer Linie mit dem Ventilator an und lassen Sie den Behälter unter Druck setzen (3 - 6 psig).
    6. Mechanische Beatmung 129Xe einleiten. Jedes Mal, wenn die 129Xe-Beatmung aktiviert wird, lassen Sie das Tier ~5 Atemzüge durchführen, bevor Sie einen Scan starten, um die funktionelle Restkapazität der Lunge zu überprüfen.
      HINWEIS: Wechseln Sie zwischen 129Xe-Scans zum N2/O2-Gemisch, um hyperpolarisiertes Gas zu sparen.
    7. Passen Sie die Arbeitsfrequenz mit einem einzigen Impuls an die In-vivo-Resonanzfrequenz von gasförmigem 129Xe an (~83,07 MHz bei 7 T) an. Kopieren Sie die Frequenz auf alle nachfolgenden Scans der Gasphase 129Xe. Führen Sie eine 129Xe-Lokalisierung durch, um zu bestätigen, dass sich die Lungen im Isozentrum befinden.
    8. Laden und starten Sie die radiale Lüftungssequenz 129Xe. Überwachen Sie den inspiratorischen Spitzendruck.
      HINWEIS: Wenn das 129Xe-Gas ausgeht, bevor das Protokoll abgeschlossen ist, sinkt der Spitzeninspirationsdruck schnell ab. Ein 400-ml-Beutel mit 129Xe kann eine 30-g-Maus ~24 Minuten lang beatmet, wenn er mit 70 % beatmet wird, 129Xe bei 80 Atemzügen pro Minute mit einem Atemzugvolumen von 10 ml/kg idealem Körpergewicht.
    9. Wenn der Scan abgeschlossen ist, wechseln Sie zur Belüftung mit dem N2/O2-Gemisch und entfernen Sie den leeren Beutel mit 129Xe.
    10. Für die Bildgebung am Ende der Exspiration ändern Sie die Dauer des Atemanhaltens und die Auslöseverzögerung gemäß Tabelle 2 und wiederholen Sie die Schritte 2.4.2 - 2.4.9.
    11. Exportieren Sie die Rohdaten aus dem Scanner.
Protokoll-KurzbezeichnungBeschreibung der SequenzAuslösenTR (ms)TE (ms)WiederholungenFlip-Winkel (°)Matrixgröße oder NPunkteSichtfeld (mm2)HF BW (kHz)Dicke der Scheibe/Platte (mm)Dauer des Scans
Einzelner ImpulsImpulserfassung (Gasphase)Wahlfrei10001602048101 Sek.
Tier-Lokalisierer2D GREJa501.7160642 kg32232560 Sek.
Radiale Belüftung3D Multi-Echo radialJa20Siehe Bildunterschrift130613 kg22332.053016 Minuten
Gelöste Phase, EinzelimpulsImpulserfassung (gelöste Phase)Nein8019051210.3580 ms
Dynamische Spezifikation der gelösten Phase.Impulserfassung (gelöste Phase)Nein5010009051210.550 Sek.
Diffusionsgewichtet2D GREJa12.28.1445642 kg32231.518 Minuten


Tabelle 4: In vivo Sequenzparameter. Die zuvor beschriebene 3D-Multiecho-Radialventilationssequenz39 nimmt Bilder mit einer Echozeit von 6 Echozeiten auf. Die Ergebnisse sind für das erste Echobild dargestellt (TE = 1,12 ms, Abbildung 7). Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Ergänzende Datei 4: QA-Checkliste für die Xenon-Polarisation. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

  1. Datenerfassung: Führen Sie eine dynamische Spektroskopie der gelösten Phase durch.
    1. Stellen Sie das Beatmungsgerät gemäß Tabelle 2 für die Bildgebung während des Atemanhaltens ein. Stellen Sie den BR auf 100 Atemzüge/min ein. Bereiten Sie sich auf einen neuen Beutel mit 129Xe vor, wie in den Schritten 2.4.2 - 2.4.5 beschrieben.
    2. Mechanische Beatmung 129Xe einleiten. Laden Sie einen einzelnen Impuls und lassen Sie ihn ausführen, um die Arbeitsfrequenz an die gelöste Frequenz anzupassen (~83,084 MHz bei 7 T). Kopieren Sie die Arbeitsfrequenz in die dynamische Spektroskopie der gelösten Phase.
      HINWEIS: Dies ist ein einzelner Peak bei Mäusen mit Wildtyp-Hämoglobin54.
    3. Laden und starten Sie die dynamische Spektroskopiesequenz, die sich auf die gelöste Frequenz in der Tierlunge konzentriert. Wenn der Scan abgeschlossen ist, wechseln Sie zur Belüftung mit dem N2/O2-Gemisch und entfernen Sie den leeren Beutel mit 129Xe. Exportieren Sie die Rohdaten aus dem Scanner.
  2. Datenerfassung: Sammeln Sie diffusionsgewichtete Bilder.
    1. Stellen Sie das Beatmungsgerät gemäß Tabelle 2 für die Bildgebung während des Atemanhaltens ein. Bereiten Sie sich auf einen neuen Beutel mit 129Xe vor, wie in den Schritten 2.4.2 - 2.4.7 beschrieben.
    2. Laden Sie die diffusionsgewichtete Sequenz, und führen Sie sie aus. Wenn der Scan abgeschlossen ist, wechseln Sie zur Belüftung mit dem N2/O2-Gemisch und entfernen Sie den leeren Beutel mit 129Xe. Exportieren Sie die Rohdaten aus dem Scanner.

3. Abschluss des Versuchs

  1. Tier bergen.
    1. Ziehen Sie die Intubationskanüle gerade aus dem Maul des Tieres. Wenn das Tier nicht sofort spontan zu atmen beginnt, ist eine leichte Herzdruckmassage durchzuführen. Falls verfügbar, verabreichen Sie einen leichten Fluss von medizinischem Sauerstoff in der Nähe des Gesichts des Tieres, um die Genesung der Sedierung zu unterstützen.
    2. Sobald das Tier gleichmäßig von selbst atmet und das Tier >2 h lang sediert wurde, verabreichen Sie 0,5 - 1 ml normale Kochsalzlösung subkutan, um eine Dehydrierung zu verhindern.
    3. Setzen Sie das Tier von selbst in einen Käfig zurück. Stellen Sie den Käfig in einen Inkubator oder auf ein Heizkissen.
      HINWEIS: Sedierte Tiere sind anfällig für Kannibalismus und können nicht mit Käfiggenossen in einen Käfig gesetzt werden, bis sie sich vollständig erholt haben (d. h. selbstständig herumlaufen). Betäubte Tiere können ihre Körpertemperatur nicht regulieren. Verwenden Sie den Handrücken, um alle paar Minuten die Temperatur des Tieres zu spüren.
    4. Beobachten Sie das Tier genau, bis sein Aufrichtreflex zurückgekehrt ist (d. h. es kann selbstständig von der Rückenlage in die Bauchlage wechseln).
    5. Nehmen Sie das Tier von der Hitzestütze, sobald es selbstständig laufen kann. Setzen Sie das Tier mit seinen Käfiggenossen in einen Käfig zurück.
      HINWEIS: Wenn das Tier keine Käfiggenossen hat, ist es anfälliger für sedierungsinduzierte Hypothermie. Stellen Sie dem Tier zusätzliche Einstreu zur Verfügung und lassen Sie, falls verfügbar, das Tier über Nacht in einem Brutkasten.
    6. Erfassen Sie das Gewicht des Tieres 2 Wochen lang einmal pro Woche, um seine Gesundheit zu überwachen.
      HINWEIS: Wenn das Tier durch die Intubation eine Verletzung am Maul oder an der Speiseröhre erlitten hat, kann es aufhören zu fressen. Wenn das Tier >20 % seines ursprünglichen Körpergewichts verliert, konsultieren Sie einen Tierarzt über die Euthanasie.
  2. Analysieren Sie Lüftungsbilder (Abbildung 7).
    1. Laden Sie Rohdaten in eine Programmierplattform. Laden Sie das Open-Source-Rekonstruktions-Framework für nicht-kartesische Bilderherunter 91.
    2. Rekonstruieren Sie Bilder gemäß den Anweisungen des Open-Source-Frameworks. Normalisieren Sie den ersten Punkt auf jeder radialen Projektion39.
    3. Segmentieren Sie das Lungenparenchym in den Bildern, einschließlich Voxeln mit niedrigem oder keinem 129Xe-Signal. Große Atemwege nicht einschließen. Segmentieren Sie das Hintergrundrauschen im Bild, ohne Lunge, Atemwege und Bildgebungsartefakte.
      HINWEIS: Das Bild des Protonenlokalisierers kann bei der Bestimmung der Parenchymgrenzen hilfreich sein.
    4. Berechnen Sie das SNR mit der Formel:
      figure-protocol-7(3)
    5. Quantifizieren Sie fehlerhafte Beatmung.
      HINWEIS: Es wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, um eine gestörte Beatmung in Kleintiermodellen zu quantifizieren. Analysemethoden bleiben ein offenes Forschungsgebiet, aber leicht zu implementierende Ansätze umfassen: (i) Semiquantitative manuelle Segmentierung92, (ii) Histogramm-Ansatz unter Verwendung des Signals aus der Luftröhre zur Normalisierung des parenchymalen Signals47 und (iii) Segmentierung des Gesamtlungenvolumens (TLV) und Definition einer Signalschwelle (z. B. <60 % des gesamten Lungenmittelwerts), um die Lunge in defektes Volumen und beatmetes Lungenvolumen (VV) zu unterteilen. Quantifizieren Sie VDP 93,94 nach:
      figure-protocol-8(4)
  3. Analysieren Sie die dynamische Spektroskopie der gelösten Phase (Abbildung 8).
    1. Laden Sie Rohdaten in eine Programmierplattform. Führen Sie eine schnelle Fourier-Transformation durch und phasen Sie die Spektren (gleichzeitiges manuelles Phasenschalten der Spektren nullter Ordnung ist für diese Anwendung ausreichend).
    2. Berechnen Sie die Standarddaten der Kernspinresonanz (NMR)95,96: SNR, volle Breite halbmaximal, integrierte Fläche, chemische Verschiebung und Phase beider Peaks.
    3. Teilen Sie aus den Magnitudendaten bei jeder Wiederholung die Signalamplitude des gelösten Spektrums durch die des Gasspektrums, um das Verhältnis von gelöstem zu flüssigem Gas über die Zeit zu ermitteln.
  4. Analysieren Sie diffusionsgewichtete Bilder (Abbildung 9).
    1. Laden Sie Rohdaten in eine Programmierplattform. Segmentieren Sie das Lungenparenchym des b0-Bildes wie in Schritt 3.2.3. Berechnen Sie das SNR für jedes b-Wert-Bild.
    2. Berechnen Sie das Signalwert-Rausch-Verhältnis, SVNR0, indem Sie das Signal in jedem Voxel des b 0-Bildes durch die Standardabweichung des Bildrauschens dividieren. Schließen Sie Voxel mit SVNR0 < 2,5-fachem Bildrauschen97 aus.
      HINWEIS: Die SVNR0 ist eine individuelle Voxelmetrik, während das parenchymale SNR eine Ganzlungenmetrik ist.
    3. Berechnen Sie den ADC, indem Sie den Signalausklang über die b-Werte (bi) gemäß Gleichung 598,99 anpassen:
      figure-protocol-9(5)

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Ergebnisse

Lüftungs-Bilder

Wenn die Verfahren zur Vorbereitung und Beatmung der Tiere richtig durchgeführt werden, kann die radiale 3D-Bildgebung die Beatmungsmuster erfolgreich erfassen, wenn die Datenerfassung entweder beim Ein- oder Ausatmen durchgeführt wird (Abbildung 7). Während diese Bilder über viele Atemzüge hinweg gesammelt werden, ähnelt die hier beschriebene Methode der beim Menschen verwendeten Bildgebungsmethode mit nur einem Atemzug. Dies lieg...

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Diskussion

Die hyperpolarisierte 129Xe-MRT entwickelt sich zu einer ausgeklügelten und leistungsfähigen Technik zur Untersuchung der Mikrostruktur und Funktion der Lunge in Kleintiermodellen. Dieses Protokoll soll als Leitfaden für die Vorbereitung der ersten Stelle dienen und experimentelle Verfahren beschreiben, die zur Quantifizierung von Beatmung, Diffusion und Gasaustausch in der Lunge von Mäusen mit HP 129Xe erforderlich sind. Zu den wichtigsten Voraussetzungen für die V...

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Offenlegungen

Peter Niedbalski ist Berater bei Polarean Imaging, Plc.

Danksagungen

Die Autoren bedanken sich herzlich bei Jerry Dalke dafür, dass er eine Vorreiterrolle bei der Konstruktion von Beatmungsgeräten gespielt hat. Wir danken Carter McMaster für das Brauen von HP 129Xe Gas. Wir möchten uns auch bei Dr. Matthew Willmering und Dr. Juan Parra-Robles für ihre zum Nachdenken anregenden wissenschaftlichen Diskussionen bedanken. Figuren, die mit BioRender.com erstellt wurden. Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health finanziert (Grant Nos: NHLBI R01HL143011, R01HL151588)

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
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HyperpolarisatorPolarean9820https://polarean.com/xenon-mri-platform/
IntubationsboardHallowell EMC000A3467https://hallowell.com/product/rodent-tilting-workstand/
IntubationszubehörTeileliste an anderer Stelle veröffentlichtNAhttps://app.jove.com/t/50318/a-simple-method-of-mouse-lung-intubation
Isotopenangereicherter XenonzylinderLinde-Isotope XE-129(1%)N2(10%)HE CGMP 302SZNA
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